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基于Abaqus的汽油机整机结构有限元分析

张志明、黄凤琴王伟民蔡志强

(东风汽车公司技术中心武汉430056)

摘要：本文应用有限元分析方法，对机体、气缸盖、缸体、油底壳、简易变速箱等多个零部件进行组合体进

行有限元分析及结构改进。首先引入水套CFD计算的流体温度、热交换系数等结果等作为输入条件，计算机

体整体温度分布。结构分析中，在考虑过盈配合、各部件接触非线性的基础上，进行了装配工况、热应力、

作功等工况的分析计算，考查机体整体的刚度、强度等结果，为机体设计和优化提供理论依据。

关键词：汽油机机体有限元分析Abaqus

1引言

缸盖、缸体作为发动机重要的机体部件，其耐久性和可靠性对发动机整体性能起着至关

重要的作用。故在设计前期，就必须对含有缸盖和缸体整机结构强度、刚度等进行预测分析。

随着CAE技术、计算机硬件水平的不断发展，结构有限元分析技术也越来越多的应用于

发动机分析计算中[1-2]。在设计初期，即可通过有限元方法，进行温度场、应力、变形等计算，

通过结果评价等，为对设计改进提供理论指导依据。

本文主要利用Abaqus软件，进行某四缸汽油机缸盖缸体组合件进行强度和刚度分析，为

设计改进提供指导。

2机体组合件模型说明

2.1有限元模型的建立

利用前处理软件Hypermesh导入发动机机体的三维CATIA数模，进行大量的几何清理后，

进行网格划分，局部倒角等进行细化处理。

模型包括缸盖、缸体、气缸垫、下缸体、主轴承座轴瓦、油底壳、各关键螺栓，简易变

速箱壳体等。缸垫等采用六面体单元，其余大部分采用四面体单元；接触区域、燃烧室等位

置进行网格细化；螺栓采用Beam梁模拟，并施加预紧力。有限元模型如图1所示。

鉴于Abaqus强大的非线性计算功能，可以进行温度场计算、螺栓预紧力、复杂接触非线

性模拟等，该分析求解选用Abaqus求解器。

(a)机体整体结构(b)缸垫

图1有限元模型

2.2材料特性

考虑到温度影响，缸盖、缸体等材料的物理特性随温度变化，本文分析中对材料属性做

适当简化。缸体、缸盖等采用铝合金材料，取弹性模量为70GPa，泊松比为0.33，热膨胀系数

为21*10-6（1/oC）。

3.边界条件

3.1分析工况

热固耦合计算采用顺序耦合的分析方法[3-4]，分两步进行。

（1）温度场计算

选择Abaqus中分析算法HeatTransfer[5]，热边界条件主要是从水套CFD计算结果得到水

套表面的温度和热交换系数，而燃烧室、进气阀座、排气阀座、缸套等表面温度及热交换系

数等根据一些经验值得到。

通过STAR-CCM+映像功能，将水套CFD分析中流体温度、热交换系数结果映像至结构

网格表面，其余热边界则直接施加在网格表面。进行热分析计算，得到结构温度分析结果。

（2）强度计算

选择Abaqus中的分析算法的稳态分析方法（Static）。依照表1依次定义3个分析工况，

进行强度分析计算，热负荷采用热分析的结构温度场结果。

表1分析工况

工况一装配工况

工况二装配+热负荷

工况三装配+热负荷+做功

3.2载荷

（1）螺栓预紧力

螺栓预紧力在工况一的分析中施加。

（2）主轴承座力

采用GT-Crank软件进行发动机机构动力学仿真，得到第二缸爆压时，各个主轴承座的载

荷值。载荷在120度范围内施加，成余弦分布。

3.3约束

在悬置点等三个节点处进行固定约束，简易变速箱端面约束Z向平动，缸体靠进气侧支

架处约束X、Y、Z各向平动，机体靠排气侧支架处约束Y、Z向平动。

4.结果分析

4.1温度场结果分析

根据以上的模型，热边界、材料参数等，利用Abaqus计算得到缸盖缸体的温度场。如下

图所示。

图2燃烧室温度云图图3缸体温度场云图

缸盖的最高温度出现在燃烧室，缸体最高温度出现于两缸之间，分别如图2、图3所示。

根据材料特性，温度满足极限使用要求。

4.2缸垫压强分布

缸垫的密封性是整机分析的重要考核内容。缸垫线压、接触压强、爆发时缸垫压缩的残

余量等都是缸垫密封、强度评价的重要参数。缸孔，油孔周围等对各参数均有不同的要求。

分析中选取的角度位置如图4所示。

图4角度位置示意图

图5各工况下缸孔圆周缸垫线压

第二缸、三缸的缸孔周围缸垫线压结果如图5所示。在热负荷作用下，两缸套之间的鼻

梁区由于温度较高，对应位置处的缸垫线压增大；第二缸作功时，使缸垫线压会有一定降低，

尤其在90deg、270deg位置最为明显，分析中需要重点关注。

图6第二缸：各工况下缸垫压强分布云图（MPa）

在各工况下，第二缸孔周围的接触压强如图5所示